JP2019529779A - 波エネルギー変換器 - Google Patents

Abstract

水に浮き、波の作用に応答して横揺れ及び／又は縦揺れするように構成された本体と；本体によって支持され、本体の横揺れ及び／又は縦揺れに応答して揺動するように構成された振り子と、振り子に関連付けられ、本体に対する振り子の揺動を電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換手段と、振り子の揺動周期を調整するように構成された振り子調整手段であって、１つ又は複数のフライホイールを含み、１つ又は複数のフライホイールのそれぞれは、振り子に選択的に動作可能に接続可能である振り子調整手段と；本体の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成された本体調節手段と、本体の横揺れ周期が波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように本体調節手段を制御するように構成された制御装置と、を備える波エネルギー変換器が開示される。【選択図】図１

Description

本発明は、水塊中の波によって提供されるエネルギーを電気エネルギーに変換する装置に関する。

波力は、石油及び石炭などの非再生可能エネルギー源に代わる望ましい再生可能エネルギーの形態である。波のエネルギーを利用する装置は、波エネルギー変換器（ＷＥＣ：wave energy converter）として知られている場合がある。波エネルギー変換のための現在の技術はその初期の段階にあり、したがって、非常に異なる設計を有する多種多様なＷＥＣが提案されてきた。

ＷＥＣは、海などの水塊中の波の力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するように設計されている。波の動きをエネルギー生成に利用することには明らかな利点があり、例えば、豊富な海の波、エネルギー生成における（もしあれば）低い排出物、そして低い環境への影響などである。

波エネルギーを利用するための１つの試みが、米国特許出願公開第２０１５／００５４２８５号に開示されている。この特許公報は、波の作用を受ける本体内で揺動可能な振り子を有するＷＥＣの様々な実施形態を記載している。振り子は、振り子が波の周波数又はその付近で振動するように振り子の重心を調整するように構成された振り子調整器を含む。少なくとも１つの実施形態において、振り子は回転シャフトを介して、一対の発電機を駆動するホイールに接続されている。この設計の不利な点は、波のエネルギーを電気エネルギーに変換するための別個の機械的システム（すなわち振り子とは別個の機械的システム）が必要なことである。米国特許第８，１０２，０６５号及び同第８，８３６，１５２号は類似のＷＥＣを開示している。

本発明の目的は、従来のＷＥＣの特定の欠点又は不利な点を克服し得る、又は少なくとも有用な代替物であるＷＥＣを提供することである。

本明細書におけるいかなる従来技術への言及も、この従来技術がいずれかの管轄区域において共通の一般的知識の一部を形成すること、及びこの従来技術が当業者によって理解され、関連があると見なされ、及び／又は従来技術の他の部品と組み合わされると合理的に予想され得ることを承認するものでもなければ示唆するものでもない。

一態様において、本発明は、波エネルギー変換器であって、
水に浮き、波の作用に応答して横揺れ及び／又は縦揺れするように構成された本体と、
本体によって支持され、本体の横揺れ及び／又は縦揺れに応答して揺動するように構成された振り子と、
振り子に関連付けられ、本体に対する振り子の揺動を電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換手段と、
振り子の揺動周期を調整するように構成された振り子調整手段であって、１つ又は複数のフライホイールを含み、１つ又は複数のフライホイールのそれぞれは、振り子に選択的に動作可能に接続可能である振り子調整手段と、
本体の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成された本体調節手段と、
本体の横揺れ周期が波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように本体調節手段を制御するように構成された制御装置と、を備える波エネルギー変換器を提供する。

振り子は、振り子の揺動によって回転するように構成された回転可能シャフト上で本体によって支持されるのが好ましい。１つ又は複数のフライホイールのそれぞれは、回転可能シャフトの慣性モーメントを調整し、それによって振り子の揺動周期（又は振り子の固有振動数）を調整可能に調節するために回転可能シャフトに選択的に動作可能に接続可能である。

エネルギー変換手段又はエネルギー変換器は、振り子に関連付けられた１つ又は複数の永久磁石と、本体に関連付けられた１つ又は複数のコイルの形態のステータとを含むことが好ましい。１つ又は複数の永久磁石は、振り子の遠位端（すなわち、振り子が回転可能シャフト上で揺動可能に支持されている回動軸の反対側の端部）に又はその近くに配置されることが好ましい。１つ又は複数のコイルは、１つ又は複数の永久磁石の移動する磁界との相互作用により１つ又は複数のコイルに起電力（ＥＭＦ）が誘起されるように振り子の揺動経路の周りで本体に配置されることが好ましい。

一実施形態では、回動軸は、振り子が回転可能シャフトに対していかなる方向にも揺動可能であるように自在継手であることが好ましい。この実施形態では、１つ又は複数のコイルは、１つ又は複数のコイルが回動軸から同じ半径方向距離だけ離れているように、逆半半球内で本体上に配置されることが好ましい。代替実施形態では、振り子は単一平面内で揺動するように拘束されてもよい。この実施形態では、１つ又は複数のコイルが回動軸から同じ半径方向距離だけ離れているように１つ又は複数のコイルを弓形経路内で本体上に配置することができ、又は１つ又は複数のコイルを、振り子の１つ又は複数の永久磁石の揺動経路の上下両方に配置された弓形経路内に配置することができる。これらの実施形態のいずれにおいても、１つ又は複数のコイルは、コイル巻線の平面が振り子の揺動経路に対してほぼ垂直になるように整列させることができる。１つ又は複数の磁石の組が、１つ又は複数の磁石の隣接する組に対して水平方向にずれて振り子上に配置されてもよい。同様に、１つ又は複数のコイルの組は、１つ又は複数のコイルの隣接するコイルの組に対して水平方向にずれて本体上に配置されてもよい。さらなる代替実施形態では、１つ又は複数のコイルは振り子と関連付けてもよく、１つ又は複数の永久磁石を本体と関連付けてもよい。

波エネルギー変換器においてエネルギーが機械的エネルギーから電気的エネルギーに変換される割合は、振り子の揺動の振幅を制御することによって変えることができる。したがって、エネルギー変換手段は、振り子の揺動を減衰させるための可変減衰手段又は可変ダンパも含むことが好ましい。可変減衰手段は、１つ又は複数のコイルを含む回路の電気インダクタンス及び／又は抵抗を変化させ、それによって振り子の揺動を減衰させるように構成される。可変減衰手段は、回路に接続される１つ又は複数のコイルの数を変えるためのスイッチを含み得る。制御装置は、好ましくは、可変減衰手段及びスイッチを制御し、１つ又は複数のコイル内に誘導される電流を変化させ、それによって振り子の揺動を調整可能に減衰させる。

エネルギー変換手段は、電気エネルギーを整流するためのコンディショニング手段又はコンディショナも含み得る。エネルギー変換手段はまた、電気エネルギーを変圧するための変圧手段又は変圧器を含み得る。電気エネルギーは、エネルギー変換手段から１つ又は複数の電力ケーブルを介して海岸に位置する変電所に伝送され得る。１つ又は複数の電力ケーブルは、（波の作用による）本体と１つ又は複数の電力ケーブルとの間の相対運動を切り離すように構成された関節運動可能な接続部を介して本体に接続されてもよい。関節運動可能な接続部は、米国特許第６，８４８，８６２号又は米国特許出願公開第２０１２／０２４７８０９号（これら公開物のそれぞれの内容全体は参照により本明細書に組み込まれる）に開示されている接続部／インターフェースを含むことができる。

本体は、水に浮かぶように構成された船体を含むことが好ましい。一実施形態では、船体は、波の作用に応答するその横揺れ及び／又は縦揺れが到来波の作用の方向に対して鈍感であるように、垂直軸に関して軸対称であってもよい。加えて、船体は、他の軸又は方向（例えばビーム）と比較して１つの主軸又は方向（例えば長手方向）においてより長くてもよい。別の実施形態では、船体は軸に関して非対称であってもよい。

船体は、展開係留システム又は一点係留システムを介して水中で係留されてもよい。展開係留システムは、好ましくは、船体の長手方向両端部に解放可能に接続された少なくとも２つの係留索を含む。より好ましくは、少なくとも２つの係留索は船体の各長手方向端部に解放可能に接続されている。係留索は、船体の各長手方向端部に配置された係留アームを介して船体に接続することができる。各係留アームは、少なくとも２つの係留索を解放可能に受け入れることが好ましく、少なくとも２つの係留索のそれぞれは、係留アームに回転可能に接続されていることが好ましい。各係留アームは、好ましくは、船体の水線又はその近く、及び船体の長手方向中心線又はその近くに配置される。

展開係留システムが非対称形状を有する船体と共に使用される場合、非対称船体は、波の作用の方向が変化するにつれてビームを到来波の作用に直面させるように調整可能に整列されることが好ましい。

本体調節手段又は本体調節器は、好ましくは、バラスト、好ましくは水の形態の液体バラストを受け入れるように構成された、船体内の２つ以上の別個の室を備える。本体調節手段は、２つ以上の室の間で液体バラストを移動させて本体の重心及び／又は本体のメタセンタ高さを調整し、それによって本体の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成される。２つ以上の室はそれぞれ、液体バラストのスロッシングを低減するために１つ又は複数の仕切りを含んでもよい。上述したように、制御装置は、本体の横揺れ周期が波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように本体調節手段を制御するように構成される。有利には、波エネルギーピーク周期は、最も高いエネルギーを有する波周期に一致する。

振り子調整手段又は振り子調整器はまた、振り子の重心を調整し、それによって振り子の揺動周期を調整するように構成されてもよい。振り子調整手段は、振り子の重心を調整し、それによってその揺動周期を調整するために振り子のシャフトに沿って選択的に移動可能なボブの形態の質量を含むことが好ましい。好ましくは、制御装置は、振り子の揺動周期が本体の横揺れ周期の比となるように振り子調整手段を制御する。好ましい実施形態では、この比は０．８から１．２の範囲にある。有利には、振り子は、本体の動きを最小限に抑えるために調節されたマスダンパ／動的振動吸収装置として作用する。

波エネルギー変換器はまた、制御装置に通信可能に結合されかつ波エネルギーピーク周期を測定するように構成された波測定装置を含むことが好ましい。制御装置は、好ましくは、波測定装置から波エネルギーピーク周期情報を受信し、次いで、（１）受信した波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように本体の横揺れ周期を調整可能に調節するように本体調節手段を制御し；（２）振り子の最適揺動周期及び可変減衰手段の最適減衰値を計算し、前記最適揺動周期及び最適減衰値は、波エネルギー変換器の理論上の最大パワー出力に対応するものであり；（３）振り子調整手段を制御して、振り子の揺動周期を調整可能に調節し、計算された最適揺動周期に一致させ；（４）計算された最適減衰値と一致するように振り子の減衰を調整可能に調節するように可変減衰手段を制御する。

したがって、有利には、本発明によれば、本体の横揺れ周期、振り子の揺動周期、及び振り子の揺動の振幅はすべて、波の作用からできるだけ多くのエネルギーを電気エネルギーに変換するように調節可能である。さらに有利には、波エネルギーを電気エネルギーに変換するために別個の機械的システム（すなわち振り子とは別個の機械的システム）は必要とされない。

エネルギー変換手段は、パワー取出し（ＰＴＯ：power take-off）装置も含み得る。ＰＴＯ装置は、揺動可能な振り子の回転可能シャフトに関連付けられるか、又は接続されていてもよい。回転可能シャフトが回転すると、ＰＴＯ装置は、振り子の揺動から追加の電気エネルギーを発生させるために、任意選択的にギアボックスを介して、電気モータ、発電機、又はオルタネータ（３相、ＡＣ、又はＤＣ）を駆動するように構成され得る。有利には、発電機（又は電気モータ又はオルタネータ）を用いて、（１つ又は複数のフライホイール又は振り子調整手段の選択的に移動可能な質量の代わりとして）振り子の揺動周期を調節することもできる。追加の電気エネルギーを発生させる過程で、発電機はトルク抵抗を提供する。発電機がトルク抵抗を調整するための手段を含む場合、このトルク抵抗の能動的制御を通して、全体的なシステムダイナミクスに影響を及ぼすことができる。可変磁束発電機及び機械的に作動される可変磁束発電機などの装置がこれを達成することができる。そのような方法の１つは、発電機の電気コイルの近くの内外に磁石を滑らせることによるものである。波エネルギー変換器上で振り子が揺動する１サイクルを通してトルク（又はトルク抵抗）を交番又は変化させることによって、システムの動的剛性を変えることができる。それによって、揺動可能な振り子の回転可能シャフトに接続された発電機のトルク抵抗を調整することによって、振り子の揺動周期（又は振り子の固有振動数）を調整することができ、したがってシステムは異なる所望の固有振動数に一致するように調節される。

振り子調整手段の１つ又は複数のフライホイールは、ギアボックスの低速側で回転可能シャフトに選択的に接続することができる。あるいは、１つ又は複数のフライホイールは、ギアボックスと発電機／オルタネータとの間に（すなわちギアボックスの高速側に）選択的に接続されてもよい。２つ以上のフライホイールを含む実施形態では、各フライホイールは、システムの動的慣性を調整し、それによって振り子の揺動周期を微調節するために、他のフライホイールから独立して回転可能シャフトに又はギアボックスの高速側に選択的に接続され得る。

上記の波測定装置はまた、波高情報及び波方向情報などの他の波情報を測定し、この他の波情報を制御装置に通信することができる。波エネルギー変換器はまた、風情報などの他の環境特性を測定するように構成された１つ又は複数の他のセンサ装置を含むことができ、この他の環境情報を制御装置に通信することができる。次に、制御装置は、他の波情報及び／又は他の環境情報を利用して、波エネルギー変換器の働きを最適化するために、エネルギー変換手段、本体調節手段、及び振り子調整手段のうちの１つ又は複数を制御し得る。

文脈上別段の要求がない限り、本明細書で使用されるとき、用語「含む（comprise）」、及び「含む（comprising）」、「含む（comprises）」及び「含んだ（comprised）」などのこの用語の変形は、さらなる追加物、構成要素、整数又はステップを除外することを意図しない。

本発明のさらなる態様及び先行の段落に記載した態様のさらなる実施形態は、例として与えられ、添付の図面を参照する以下の記載から明らかになるであろう。

本発明の実施形態による波エネルギー変換器の正面（部分）断面図である。 図１の波エネルギー変換器の船体の側面斜視図である。 図２Ａの船体の正面図である。 図１及び２の波エネルギー変換器の動作効率のプロットである。 図１及び２の波エネルギー変換器の動力出力のプロットである。 図２Ｂに似ているが図１の波エネルギー変換器に関連付けられる関節運動可能パワーケーブルをさらに示す。 図１の波エネルギー変換器を係留するための係留システムの上面図である。 図１の波エネルギー変換器の様々な構成要素の側面図である。

図１を参照すると、本発明の実施形態による波エネルギー変換器（ＷＥＣ）１０が示されている。ＷＥＣ１０は、水に浮きかつ波の作用に応答して横揺れ及び／又は縦揺れするように構成された船体１２（部分的に切り取られて図示されている）の形態の本体と、船体１２によって支持され、船体１２の横揺れ及び／又は縦揺れに応答して揺動するように構成された振り子１４とを含む。ＷＥＣ１０は、振り子１４に関連付けられ、かつ、船体１２に対する振り子１４の揺動を使用のために電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換手段又はエネルギー変換器１６を含む。ＷＥＣ１０はまた、振り子の揺動周期を調整するように構成された振り子調整手段又は振り子調整器９０（図７）を含む。振り子調整手段９０は、それぞれ振り子１４に選択的に動作可能に接続可能な１つ又は複数のフライホイール９２を含む。ＷＥＣ１０はまた、水中での船体１２（又はＷＥＣ１０）の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成された本体調節手段又は本体調節器５０を含む。ＷＥＣ１０はまた、後述するように、ＷＥＣ１０の様々な特徴を制御又は調節するように構成された制御装置（図示せず）も含む。有利には、本発明によれば、制御装置は、後述するように、船体１２の横揺れ周期が波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように、水中での船体１２の横揺れ特性を調整可能に調節することができる。

振り子１４は、剛性の上向きに延びる支持構造１８上に取り付けられた回転可能シャフト２９上で船体１２によって支持される。回転可能シャフト２９は、振り子１４の揺動によって回転するように構成される。支持構造体１８は、船体１２の上部デッキ面２２上でハウジング２０内に配置される。支持構造体１８は、支持構造体１８の下端部２４において上部デッキ面２２上に取り付けられる、又はそれと一体的である。振り子１４は、反対側の上端部２６で、回転可能シャフト２９を介して、支持構造体１８に回動可能に取り付けられている。振り子１４は、回転可能シャフト２９の長さに沿って中央に配置された回動軸２８を中心にして回動する。示されている実施形態において、回動軸２８は、振り子１４が回動軸２８の周りのいずれの方向にも揺動可能であるように自在継手を備える。別の図示されていない実施形態では、回動軸２８は、振り子１４が単一平面内でのみ揺動するように拘束されるように構成されてもよい。有利には、振り子１４は、船体１２の動きを最小にするためにマスダンパ／動的振動吸収装置として作用する。

エネルギー変換手段１６は、振り子１４の遠位端１７（すなわち、回動軸２８とは反対側の端部）に配置された永久磁石３０と、振り子１４の揺動経路の周り（又はその下）で船体１２の上部デッキ面２２上に配置された逆半半球状の皿状の表面３４の下に配置された１つ又は複数のステータコイル（図示せず）とを含む。１つ又は複数のステータコイルは、各コイルが振り子１４の回動軸２８から同じ半径方向距離の所にあるように逆半半球状の皿３４の下に配置される。さらに、各コイルは、各コイルのコイル巻線に対応する平面が振り子１４の揺動経路に対してほぼ垂直になるように配向される。有利には、１つ又は複数のステータコイルは、永久磁石３０の移動する磁界との相互作用により１つ又は複数のステータコイルに起電力（ＥＭＦ）が誘起されるように振り子１４の揺動経路の周りに配置される。

ＷＥＣ１０内でエネルギーが機械的エネルギーから電気的エネルギーに変換される割合は、米国特許出願公開第２０１５／００５４２８５号（その内容全体は参照により本明細書に組み込まれる）に詳述されているように振り子１４の揺動の振幅を制御することによって変えることができる。したがって、エネルギー変換手段１６はまた、振り子１４の揺動を減衰させるための可変減衰手段又は可変ダンパ（図示せず）を含む。可変減衰手段は、１つ又は複数のステータコイルを含む回路（図示せず）の電気インダクタンス及び／又は抵抗を変化させ、それによって振り子の揺動を減衰させるように構成される。可変減衰手段は、回路に接続される１つ又は複数のステータコイルの数を変えるためのスイッチ（図示せず）を含むことができる。

上述のように、ＷＥＣ１０は制御装置も含む。制御装置は、可変減衰手段及びスイッチを制御して、１つ又は複数のステータコイルに誘導される電流を変化させ、それによって振り子１４の揺動を調整可能に減衰させる。

エネルギー変換手段１６はまた、ＷＥＣ１０によって生成された電気エネルギーを整流するためのコンディショニング手段又はコンディショナ（図示せず）を含む。エネルギー変換手段１６はまた、ＷＥＣ１０によって生成された電気エネルギーを変圧するための変圧手段又は変圧器（図示せず）を含む。生成された電気エネルギーは、エネルギー変換手段１６から電力ケーブル１１０（図５）を介して、海岸（図示せず）に配置された変電所に伝送することができる。電力ケーブル１１０は、（波の作用による）船体１２と電力ケーブル１１０との間の相対運動を切り離すように構成された関節運動可能な接続部１１２を介して船体１２に接続されている。有利には、関節運動可能な接続部１１２は、船体１２の横揺れ及び／又は縦揺れが電力ケーブル１１０の機械的強度及び信頼性に及ぼす影響を制限する。関節運動可能な接続部は、第１の端部で船体１２に接続されたコネクタアーム１１４と、第２の反対側の端部でコネクタアーム１１４に接続されたジンバル１１６とを含む。ジンバル１１６は、船体１２の動きが電力ケーブル１１０から切り離される、又は電力ケーブル１１０に伝達されないように回転可能な接続を提供するように構成される。コネクタアーム１１４及びジンバル１１６は、電力ケーブル１１０の引き回しのための内部導管１１８を含む。ケーブル１１０の曲げを制限又は限定するために、曲げ制限器１２０がジンバル１１６の遠隔端部（すなわちコネクタアーム１１４から遠い側）に配置されている。

ここで図２Ａ及び２Ｂを参照すると、船体１２は、（側面断面で見たときに）概ね逆の「涙滴」形状を備える。明確にするために、船体１２はハウジング２０なしで図２Ａ及び図２Ｂに示されている。船体１２は、デッキ面２２と丸みを帯びたキール４０との間に延びかつ船体のより長い全長にわたって延びる垂直面に関して対称である。船体はおよそ９００トンの質量を有し、鋼を含むことができる。有利には、図示された船体１２は、波の作用に応答するその横揺れ及び／又は縦揺れが、到来波の作用の方向に対して鈍感であるように構成されるが、これは船体が概して中心を通る垂直軸に関して軸線対称である場合にのみ実用的である。船体１２は、約１０メートルのビーム幅と、デッキ面２２とキール４０との間に延びる約１５メートルの高さと、船首４２から船尾４４に延びる約２５メートルの長さとを有する。キール４０は約１．６４メートルの幅を有する。「涙滴」形状の船体１２は、平行な船体側面と約６メートルの長さとを有する第１の下方部分４６を含む。これらの寸法は単なる例示である。半六角形設計などの他の適切な寸法又は他の適切な船体形状形態を、本開示の波エネルギー変換器で利用することができる。より大きな波力を引き付けることによって流体力学的利益を最大にしながら、浮力を最小限に抑え、船体の安定性を向上させるために、涙滴形状は自由浸水式であってもよい。

図６を参照すると、船体１２は、展開係留システムを介して水中で係留されてもよい。展開係留システム８０は、係留アーム８４を介して船体１２の各長手方向端部１３に解放可能に接続された２つの係留索８２を含む。各係留アーム８４は、上から見たときに概してＹ字形である。係留アーム８４は第１の端部８６で船体１２に接続されている。各係留索８２は第２の反対側の端部８８で係留アーム８４に回転可能に接続されている。各係留アーム８４は、水線又はその付近で及び船体１２の長手方向中心線又はその付近で船体１２に接続される。

本体調節手段５０は、船体１２内で上下に配置された３つの別々の室５２、５４、５６を備え、各室はバラストを受けるように構成されている。最も下のバラスト室５２は中実のバラスト材料を含み、中間及び上部バラスト室５４、５６はそれぞれ液体バラストを含む。中実バラスト材料はコンクリートであるのが好ましく、約２６５トンの質量を有する。液体バラストは好ましくは水であり同じく約２６５トンの質量である。

本体調節手段５０は、中間バラスト室５４と上部バラスト室５６との間で液体バラストを移動させてＷＥＣ１０の重心及び／又はＷＥＣ１０のメタセンタ高さを調整し、それによって船体１２（又はＷＥＣ１０）の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成される。中間バラスト室５４及び上部バラスト室５６はまた、液体バラストのスロッシングを低減するために１つ又は複数の仕切り又はバッフル（図示せず）を含む。有利には、本発明によれば、制御装置は、船体１２の横揺れ周期が、典型的には８秒から１２秒の範囲内の波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように本体調節手段５０を制御するように構成される。有利には、波エネルギーピーク周期は、最も高いエネルギーを有する波周期に一致する。

振り子調整手段６０（図１）はまた、振り子１４の重心を調整し、それによって（フライホイール９２を用いる代わりに、又はそれに加えて）振り子１４の揺動周期を調整するように構成されてもよい。振り子調整手段６０は、振り子１４の重心を調整し、それによってその揺動周期を調整するために振り子１４のシャフト１５に沿って選択的に移動可能であるボブ６２の形態の質量を含む。制御装置は、振り子１４の揺動周期が船体１２の横揺れ周期の比となるように、ボブ６２を制御し、シャフト１５に沿ってボブ６２を移動させる。好ましい実施形態では、この比は０．８〜１．２の範囲内である。図示のＷＥＣ１０では、ボブ６２の質量は３０トンである。当業者に知られているように、ボブ６２が振り子１４の遠位端１７に向かって（すなわち、回動軸２８からさらに遠くに）移動するにつれて、振り子１４の揺動周期は（船体１２及びボブ質量６２の所与の横揺れ周期に対して）増加する。ボブ６２がシャフト１５に沿って回動軸２８に向かって移動するにつれて、振り子１４の揺動周期は（船体１２及びボブ質量６２の所与の横揺れ周期に対して）減少する。

図７を参照すると、エネルギー変換手段１６はまた、揺動可能な振り子１４の回転可能シャフト２９に関連するか、又はそれに接続されたパワー取出し装置（ＰＴＯ）を含む。回転可能シャフト２９が（振り子１４の揺動により）回転するとき、ＰＴＯ装置は、ギアボックス１０２を介して発電機１００を駆動して追加の電気エネルギーを（すなわち、磁石３０とステータコイルとの間の相互作用によって発生されるエネルギーに追加して）発生させる。追加の電気エネルギーは、１つ又は複数の電力ケーブルを介して変電所に伝送され得る。有利には、発電機１００は、発電機のトルク抵抗を調整するための手段（図示せず）を含む。前述したように、トルク抵抗の能動制御により、振り子の揺動周期（又は振り子の固有振動数）を（フライホイール９２又は選択的に移動可能なボブ質量６２を利用する代わりに、又はそれに加えて）調節することができる。

前述のように、振り子調整手段９０は、振り子１４の回転可能シャフト２９にそれぞれ選択的に動作可能に接続可能な１つ又は複数のフライホイール９２を含む。図７に示す実施形態では、３個のフライホイール９４が回転可能シャフト２９に動作可能に接続され、回転可能シャフト２９の慣性モーメントを調整し、それによって振り子１４の揺動周期を調整可能に調節する。各フライホイール９４は、互いに独立して回転可能シャフトに選択的に接続可能であり、振り子１４の揺動周期を微調節する。

上で詳述したように、本発明のＷＥＣ１０は、振り子の揺動周期（又は振り子の固有振動数）を調整又は微調節するための３つの代替手段を含む。具体的には、これらは選択的に動作可能に接続可能なフライホイール９２、選択的に移動可能なボブ６２、及び発電機１００のトルク抵抗を調整する手段である。実施形態では、ＷＥＣ１０は振り子の揺動周期を調整するための上記手段のうちの１つのみが所与の時点で利用されるように構成され得る。しかしながら、代替実施形態では、振り子の揺動周期を調整するための上記手段のうちの２つ以上の組み合わせを所与の時点で利用することができる。

ＷＥＣ１０は又はウジング２０の上端に配置された波測定装置７０（図１）を含む。図示しない代替の構成では、波測定装置は別個の係留ブイに配置されてもよく、当業者に公知の任意の適切な手段によって、例えばＲＦ伝送によって通信可能に制御装置に結合されてもよい。図１の波測定装置７０は、制御装置に通信可能に結合されており、到来波の作用のスペクトル波高及び到来波の作用の波エネルギーピーク周期を測定するように構成されている。制御装置は、波測定装置７０からスペクトル波高及び波エネルギーピーク周期情報を受信し、そして、
１．本体調節手段５０を制御して、船体１２（又はＷＥＣ１０）の横揺れ周期を調整可能に調節して、（上述したように）それが受信した波エネルギーピーク周期に近似又は一致するようにし；
２．振り子１４の最適揺動周期及び可変減衰手段の最適減衰値を計算し、前記最適揺動周期及び最適減衰値は、（後述するように）ＷＥＣ１０の理論上の最大パワー出力に対応するものであり、
３．振り子調整手段６０を制御して、振り子１４の揺動周期を調整可能に調節し、計算された最適揺動周期と一致させ、そして
４．可変減衰手段を制御して、計算された最適減衰値と一致するように振り子の減衰を調整可能に調節する。

したがって、有利には、本発明によれば、船体１２（又はＷＥＣ１０）の横揺れ周期、振り子１４の揺動周期、及び振り子１４の揺動振幅はすべて、波の作用から電気エネルギーへ可能な限り多くのエネルギーを変換するように調節可能である。

可変減衰手段の最も効率的な／最適な減衰値は、振り子１４の揺動限界の実際の振幅を超えない範囲で、可能な最小の減衰に対応することが分かった。さらに、図３を参照すると、ＷＥＣ１０のピーク動作効率は１．３の無次元周波数比（１．０より大きい）で発生する。動作効率は、振り子１４によって抽出されると予測されるパワーを入射波エネルギーパワーで割った比である。図３の「無次元周波数」軸は、８秒の波の周期が値１．０に設定されるように正規化された。

ここで図４を参照すると、図３に示す動作効率に対応するＷＥＣ１０によって生成される典型的な電力値が示されている。図４のピーク瞬間電力は、波周期当たりの時間平均電力である。ピーク電力は、ゼータ＝０．２４の線形減衰比値の場合の２５ｍの波面に沿った１ｍの波高条件に対応する約６４０ｋＷであることが示されている。

本発明のＷＥＣ１０の様々な特徴は、ＷＥＣ１０が動作することが意図されている波環境の特定の特性に従って設計／選択されることが好ましい。以下は、ＷＥＣ１０のエネルギー出力を最大化又は最適化するために利用され得るステップバイステップのプロセスである：
１．スペクトル波高及び波エネルギーピーク周期など、場所特有の波環境条件を決定し；
２．振り子１４の揺動振幅を船体１２の許容値に制限することに基づいてボブ質量６２を選択し（比較的軽いボブ質量６２はより重いボブ質量６２と比較してより大きな揺動振幅をもたらすが、より軽いボブ質量６２はより大きなエネルギー／電力出力をもたらす）；
３．船体１２の横揺れインテリアに対する振り子１４の慣性の比に対応する慣性比μを計算し；
４．１／（１＋μ）に等しい振り子１４の振動数比を計算し；
５．海の状態ごとに、波の励起周波数比及びスペクトル波入力エネルギーに基づいて振り子１４の重さ（長さ）の中心の範囲を計算し（これはスペクトル海及び船体１２の波応答特性の関数である）；
６．ＷＥＣ１０のエネルギー／電力出力を最大にすることに基づいて、及び必ずしも船体１２の運動を最小限に抑えることには基づかずに、振り子１４の減衰値を計算し（理想的な減衰値はスペクトル波入力エネルギーに依存する）；
７．船体１２に対する振り子１４の最大揺動振幅の値を確認し、最大振幅を超えた場合にはボブ質量６２を減らし；
８．ステップ２に戻り、スペクトル応答に基づいて、慣性比、振り子振動数比、及び振り子減衰値を調節することを繰り返し（この繰り返しは、船体１２及び振り子１４システムがスペクトル入力を有するために必要とされる）；そして、
９．エネルギー／電力出力を最大にするために最適なボブ質量、振り子周期、及び振り子減衰値を決定する。

上記のステップは、ＷＥＣ１０のエネルギー出力を最大化又は最適化するための１つのアプローチにすぎない。他のアプローチが当業者に知られているかもしれない。

本発明は、経済的に実行可能で信頼性がありかつ効果的なＷＥＣを提供する。有利なことに、上記の従来のＷＥＣとは異なり、到来波作用のエネルギーを電気エネルギーに変換するために別個の機械的システム（すなわち、振り子とは別個のシステム）は必要とされない。

本明細書に開示され定義された本発明は、言及された、あるいはテキスト又は図面から明らかな個々の特徴の２つ以上の全ての代替の組み合わせに及ぶことが理解されよう。これらの様々な組み合わせの全てが本発明の様々な代替態様を構成する。

Claims (20)

1. 水に浮き、波の作用に応答して横揺れ及び／又は縦揺れするように構成された本体と、
   前記本体によって支持され、前記本体の横揺れ及び／又は縦揺れに応答して揺動するように構成された振り子と、
   前記振り子に関連付けられ、前記本体に対する前記振り子の揺動を電気エネルギーに変換するように構成されたエネルギー変換手段と、
   前記振り子の揺動周期を調整するように構成された振り子調整手段であって、１つ又は複数のフライホイールを含み、前記１つ又は複数のフライホイールのそれぞれは、前記振り子に選択的に動作可能に接続可能である振り子調整手段と、
   前記本体の横揺れ特性を調整可能に調節するように構成された本体調節手段と、
   前記本体の横揺れ周期が波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように前記本体調節手段を制御するように構成された制御装置と、を備える波エネルギー変換器。
2. 前記振り子が、前記振り子の揺動によって回転するように構成された回転可能シャフト上で前記本体によって支持され、前記１つ又は複数のフライホイールのそれぞれが、前記回転可能シャフトの慣性モーメントを調整し、それによって前記振り子の前記揺動周期を調整可能に調節するために前記回転可能シャフトに選択的に動作可能に接続可能である、請求項１に記載の波エネルギー変換器。
3. 前記エネルギー変換手段が、前記振り子に関連付けられた１つ又は複数の永久磁石と、前記本体に関連付けられた１つ又は複数のコイルの形態のステータとを含む、請求項１又は２に記載の波エネルギー変換器。
4. 前記１つ又は複数の永久磁石が、前記振り子の遠位端に又はその近くに配置され、前記１つ又は複数のコイルが、前記１つ又は複数の永久磁石の移動する磁界との相互作用により前記１つ又は複数のコイルに起電力（ＥＭＦ）が誘起されるように前記振り子の揺動経路の周りに配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
5. 前記１つ又は複数のコイルは、前記１つ又は複数のコイルが回動軸から同じ半径方向距離だけ離れているように、逆半半球状の構成で前記本体上に配置される、請求項４に記載の波エネルギー変換器。
6. 前記本体の長手方向両端部に接続された少なくとも１つの係留索を有する係留システムをさらに含み、各係留索は前記本体の長手方向中心線に又はその近くに接続され、前記波エネルギー変換器が水中にある場合、水線に又はその近くに接続される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
7. 前記エネルギー変換手段が、前記制御装置によって制御可能な可変減衰手段であって、前記１つ又は複数のコイルを含む回路のインダクタンス及び／又は抵抗を選択的に変化させ、それによって前記振り子の前記揺動を減衰させるように構成された可変減衰手段をさらに含む、請求項３〜６のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
8. 前記振り子調整装置が、前記振り子のシャフトに沿って移動し、前記振り子の重心を調整し、それによって前記振り子の前記揺動周期を調整するために前記制御装置によって選択的に制御可能な質量をさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
9. 前記本体の前記横揺れ周期に対する前記振り子の前記揺動周期の比が０．８〜１．２の範囲内である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
10. 前記本体調節手段が、液体バラストを受け入れるように構成された前記本体内の２つ以上の別個の室を含む、請求項９に記載の波エネルギー変換器。
11. 前記本体調節手段が、前記２つ以上の別個の室の間で前記液体バラストを選択的に移動させて前記本体の重心及び／又は前記本体のメタセンタ高さを調整し、それによって前記本体の前記横揺れ特性を調整可能に調節するために前記制御装置によって制御可能である、請求項１０に記載の波エネルギー変換器。
12. 前記制御装置に通信可能に結合され、前記波エネルギーピーク周期を測定するように構成された波測定装置をさらに含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
13. 前記制御装置が、前記波測定装置から波エネルギーピーク周期情報を受信し、その後、
    前記受信した波エネルギーピーク周期に近似又は一致するように前記本体の前記横揺れ周期を調整可能に調節するように前記本体調節手段を制御することと、
    前記振り子の最適揺動周期及び前記可変減衰手段の最適減衰値を計算することであって、前記最適揺動周期及び前記最適減衰値は、前記波エネルギー変換器の理論上の最大パワー出力に対応することと、
    前記振り子調整手段を制御して、前記振り子の前記揺動周期を調整可能に調節し、前記計算された最適揺動周期に一致させることと、
    前記可変減衰手段を制御して、前記振り子の減衰を調整可能に調節し、前記計算された最適減衰値に一致させることと、を行うように構成される、請求項１２に記載の波エネルギー変換器。
14. 前記エネルギー変換手段が、前記電気エネルギーを整流するためのコンディショニング手段をさらに含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
15. 前記エネルギー変換手段が、前記電気エネルギーを変圧するための変圧手段をさらに含む、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
16. 前記エネルギー変換手段が、前記波エネルギー変換器から離れた変電所に前記電気エネルギーを伝送するように構成された１つ又は複数の電力ケーブルをさらに含む、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
17. 前記１つ又は複数の電力ケーブルが、前記本体と前記１つ又は複数の電力ケーブルとの間の相対運動を切り離すように構成された関節運動可能接続部を介して前記本体に接続される、請求項１６に記載の波エネルギー変換器。
18. パワー取出し装置が前記回転可能シャフトに接続され、前記振り子の前記揺動から追加電気エネルギーを発生させるように発電機を駆動するように構成される、請求項２〜１７のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。
19. 前記振り子の前記揺動周期が、前記発電機のトルク抵抗を調整することによって調整可能である、請求項１８に記載の波エネルギー変換器。
20. 振り子が前記回転可能シャフトに対していかなる方向にも揺動可能である、請求項２〜１９のいずれか１項に記載の波エネルギー変換器。

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